World Smart Energy Week 2015東京現場直擊系列報導一

刊登日期:2015/2/26
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賴秋助、呂學隆、孫文檠、蔡麗端、曾寶貞寄自東京

2015年 World Smart Energy Week 展會,選在台灣開春上班的第二天(2/25 )在日本東京國際展示會場隆重登場,維持一貫傳統,成為國際能源業界開年最重要的一場盛會。今年的能源大展包括 PV EXPO、FC EXPO、Battery Japan、Smart Grid Expo、WIND EXPO、ECO House & ECO Building、太陽光電系統施工展、新能源試作加工展及今年首度登場的電力自由化 EXPO等,與能源、儲能相關的九大展會齊聚一堂,吸引了來自全球 31個國家的 1,580家廠商參展。三天展會期間預計將有 80,000名業內人士蒞會看展。正因為這場能源展已成為日本,甚至全世界最重要與具代表性的展會,因此日本總理大臣安倍晉三特送來賀詞,四處張貼在 Big Sight 會場。

材料世界網/工業材料雜誌今年將依往例,邀請工研院內多位市場、技術專家共同赴日,將依不同專業領域,從不同角度切入,為國內讀者在東京現場提供最即時的第一手觀察報告。關心太陽光電、二次電池、儲能與燃料電池等能源議題的朋友,敬請鎖定材料世界網自 2/26日起一連三天特別企劃發送的電子報和工業材料雜誌的特別報導。


圖一、2015年World Smart Energy Week在產官學研重量級代表共同剪綵下,揭開序幕


圖二、日本內閣總理大臣安倍晉三預祝展會成功

由 Battery Japan 2015看材料發展趨勢
就在 Battery Japan開幕的前一天(2/24),日本鋰電池隔離膜大廠旭化成( Asahi Kasei )宣布將在今年啟動與美國隔離膜同業 Polypore Celgard之購併案,成為今天展會現場業界人士的重要討論話題。此一購併規模預計將達 22億美元以上,完成後,存續公司除可望一舉擴大業務成為領導廠商外,同時也將成為業界極少數同時具備乾法( PP )、濕法( PE )製程和多層膜成熟產品及專利技術的巨擘,未來可以有效在各項電池應用領域供應下游電池廠。今日與雙方的參展代表會面並詢及對此一合作案的看法時,多抱持樂觀並多所期待的心態,並且認為雙方的整合將對現有隔離膜供需體系與技術整合研發產生正面效益,對於現有市場競爭態勢亦將造成一定程度的影響。而作為電池技術重要開發標的的電池材料,自然也是展會上的展出重點,除了正極材料、負極材料、電解液、隔離膜四大材料外,包括集電箔、鋰鹽與黏著劑等均有國際級廠商參展,也發表部分新技術。

正極材料近年來因下游應用市場著重於高能量密度的需求,材料廠商多將提升電壓操作區間與克電容量的材料技術列為重要發展標的,而此一趨勢也反應在今年的展出內容上。如 BASF目前作為重點發展電池材料各項技術的國際化工大廠,在正極材料部分本次就重點訴求 NCA( LiNiCoAlO2 )產品。NCA因 2013年在 Tesla 採用下,造成應用於動力電池的研究風潮,目前已有若干廠商供應成熟產品,BASF在改善燒結條件後,已經將 NCA 的循環特性加以改善。另外,Umicore作為國際領先的材料大廠,也發表有關其高電壓/高能量密度的 LCO產品概念,並指出三元系( NCM )之產品應用於動力電池時,國際動力電池大廠在改善壓實密度、提高鎳含量與提高充電截止電壓上限的做法建議。


圖三、BASF於會場提出之NCA材料特性

在負極材料的部分,包括 Hitachi Chemical、日本黑鉛、Kureha、台灣廠商中鋼碳素、光宇材料等均有參展。Hitachi Chemical 在人造石墨技術上向來為業界領導廠商,本次也發表該公司的 MAG系列產品在近年針對客戶需求所做的技術變革,利用水銀壓入法改善石墨表面的孔徑分布與配向性,並採用與其他同業不同的 lon Conductive Polymer表面包覆技術來形成結構穩定和較薄的 SEI 膜。Kureha 則在展出其硬碳負極材料的同時,也呈現硬碳直接與其他碳材料/高分子電解質共混時的產品性質。

至於電解液方面,近年來的技術發展方向除了提高電壓與減少軟包裝電池脹氣問題外,在低溫放電特性上也漸受重視。材料廠商如 BASF、廣州天賜、森田化學等多認為必須要從整體材料搭配組合下來發展符合上述需求的電解液。BASF除了在展場上發表近年國際電解液相關專利動向外,也點出以添加劑作為高電壓電解液、難燃性電解液的技術做法。廣州天賜則首次在展場上發表其應用於消費性電子產品之4.4~4.5V電解液、適用於層狀鋰錳氧化物、鎳錳或富鋰錳正極材料的電解液,以及可抑制鋰鈦氧化物產氣問題的電解液解決方案,吸引HEV與啟停電池開發廠商的注意。


圖四、BASF於會場提出之高電壓電解液添加劑配方特性

在隔離膜部分,參與本次展會的國際廠商主要有 Celgard、韓廠 SK與 CS Tech等。Celgard是產業中以乾式製程為主要產品線的代表廠商,向來以中低價格供應市場。工廠與生產所在地位於美國北卡羅來納州 Charlotte,主要產品為PP及PE兩種材質之單層構造隔離膜、及PP/PE/PP之多層構造乾式隔離膜,並握有乾式製程中單軸拉伸法的相關專利。SK 則是近年因韓系電池廠轉單而快速崛起的隔離膜廠商,在展會上也提出其陶瓷塗佈隔離膜的產品技術規格。CS Tech 為展場上另一聚焦於隔離膜成孔均一性的韓系業者,也積極投入中國大陸此一新興電池生產市場。


圖五、CS Tech在會場展出之Selion隔離膜系列產品

若由展會第一天的部分內容來觀察鋰電池材料市場在 2015年的動向,則以高電壓相關材料、高能量密度設計與動力電池相關需求最為明顯。在技術部分領先的廠商多投入前述之高電壓 4.4V技術,並且將在短期內逐步將 4.45~4.5V技術推向市場,另外也著重於高能量密度三元材料、NCA正極材料等。至於負極,在矽-碳複合材料部份,作為電池廠商主流技術投入選項的地位應已確立。耐高電壓電解液/鋰鹽/添加劑等一直是電池朝向高電壓設計、矽負極/ LTO 負極技術與低溫操作穩定性等技術的重要搭配選項,隔離膜的產品與技術變化則因旭化成合併Celgard此一重大產業變化投入之故,預料將在 2015年開始逐步影響隔離膜現有市場秩序。

昇陽國際展示18AH LFPO電池芯、48芯/24芯標準電池組
在電芯與電池組方面,國內磷酸鋰鐵電池大廠昇陽國際半導體公司在董事長楊敏聰博士領軍下,今年第六度參加了 Battery Japan 展會。楊董事長十分肯定 Battery Japan 的參展效益,他表示,此展已是全球最具代表性的展會,來場的訪客不止日本廠商,歐美的 Buyer 亦所在多有。最近昇陽與某大商社的合作契機即來自三年前的參展,三年來,該日本商社持續關注昇陽的創新與進步,而終於在今年提出合作要求,共同攜手搶佔日本市場。

昇陽公司在現場展示一連三年榮獲台灣精品獎的電池芯,1U、2U、3U通信機架式電池組和標準電池組。該公司電池部門負責人薛清水副總表示,昇陽的電池擁有超過10C的高放電率、高能量密度、高循環壽命( 50% DOD 18,000 Cycles )和耐溫達80℃以及高安全性等極傑出的性能特色,受到日本客戶高度肯定。目前應用市場鎖定在電動車輛、UPS、儲能等領域。該公司的電池並已通過 UL S Mark 認證,取得進入日本市場的入門票。昇陽公司擁有自行設計、開發、製造電池、電池組乃至提供 Total Solution 的能力,可因應客戶需求,提供最快速而滿意的服務。一步一腳印、審慎踏穩每一步是昇陽的市場策略,在極端氣候之緊急能源及環保綠色能源等議題持續發燒下,2015應是昇陽充滿希望的一年。


圖六、昇陽公司展示可依機構彈性組裝之電池芯及標準電池組


圖七、昇陽公司展示通信基站使用之機架式(1U, 2U, 3U)電池組

二次電池與再生能源整合的機會與挑戰
另外,今年的 Battery Japan二次電池展,許是受惠於日本 2016電力自由化,以及對於再生能源購電的限制條件增加,二次電池在電力調控的應用受到相當高的關注及討論。因為預估美國加州、日本、德國等幾個主要地區的再生能源裝置量夠大,已經開始需要電池的建置,以避免電網的電力品質受到衝擊。本次大會邀請到 NEDO、Mitsubishi Electric 以及 Nissan Electric 就此部分做了專題演講,討論各家的解決方法。
二次電池與再生能源的整合,大概可分成下列幾種方式。
(一) 作為電力自我使用的儲存與緩衝

此部分的產品相當多,也整合過去 311地震事件家用儲能的市場。主要將太陽能電力存下後作為系統較長時間的使用,尤其對於高電價區域,太陽能的電價已經相對低了,因此存下來的電力相較市電便宜。此產品的二次電池技術門檻較低,主要為電力控制的整合,一般電池廠較難以做到完整系統整合,需搭配系統廠。這項產品的市場競爭頗為激烈,需要加入 PV以整體系統的角度做為市場切入的方法。
(二)作為再生能源電力輸出的平滑化
此部分的產品需要搭配再生能源輸出之期望值監測,作為二次電池充電或放電的決定依據,目前較少看到 5 kW以下的系統,通常透過較大的系統整合,一方面可以讓二次電池容量增大,可調節的彈性較高,二方面空間與成本較易吸收。


圖八、Hitachi Chemical 鋰二次電池,用於再生能源電力平滑化,DOD 80%預計10k cycle(@RT) 75Ah, 最大3C充放電,模組為6cell串聯,22.2V

(三) 獨立供電系統的整合
此系統類似第一種,發展時間也較早,最近的系統開始強調能源管理的部分,例如估測二次電池容量,保護二次電池壽命,提供容量作為應用輸出的調節如 Alloy Industry。相信未來可能思考對再生能源的發電預測,在適當時間進行對二次電池的預充電。
(四) 最大型的應用當屬受電廠調控
透過二次電池的充放電,吸收中午用不完的太陽能發電,在太陽能變弱的過程中,協助水力與火力發電廠的啟動與調控,開發重點以控制區域電壓與頻率的穩定為主。此部分的系統基本上受電力系統公司的把持,電池僅是部分零組件。

觀察此領域的應用對電池的要求,主要希望長壽命,當然廠商可以透過操作區間的調控來提升壽命,但是仍然是以越大的操作區間為優。展場中可找出的電池種類很多,包括三元鋰離子電池、鋰鐵磷電池、鉛酸電池、鈉鹽電池與釩液流電池。其中,在高溫鈉鹽電池方面,今年義大利的 FIAMM 展出了一個相對完整的模組(另一廠商為GE),以48V 200Ah Module 搭配 BMS與通訊接口,提供訊號可擴充聯結的設計,方便不同系統應用時,以此模組可以做為串並接的簡易擴充模塊,方便系統組裝。此種電池操作在 260℃ 以上,因此系統裝置好需進行約 10小時以上的升溫才可操作,平常運作時需要耗能維持溫度,但是相對的,在一些惡劣環境條件下,電池的特性相對穩定且重量也較鉛酸電池高,循環壽命部分達 3000 cycle。此模組設計相當完整,電池內部的絕緣與升溫控制系統均與模組整合在一起(圖九)。


圖九、FIAMM 的鈉鹽電池模組 48V 200Ah與其內部隔熱設計

如前所述,雖然再生能源的推展與 Smart Grid 的演變,二次電池是未來電力系統的要角,然而這個產業通常是以系統整合為主,每個系統的規模不一,客戶可能規格變化有所不同,二次電池廠在面對此產品應用時,可能需思考合作管道,因為唯有與系統一起的完整設計才能有效切入市場。此外,因為系統規格多變, SAFT(圖十)的系統與 FIAMM一樣,都保留了電力與通訊接口串接與擴充的設計,透過這些模組化設計,可以解決少量多樣的問題。但是,相對開發必須更仔細與完整,此部分可供國內業界參考。


圖十、SAFT 的48V 50Ah Module

PV EXPO 2015 現場特寫
今年的國際太陽電池展( PV-EXPO 2015 )除了日本廠商外,也吸引了主要來自中國、台灣及韓國等多國大廠參展。會場中除了展示各家最高效能的電池或模組產品外,相較於往年,今年的會場增加了許多太陽能應用的產品及施工等項目展出。各家業者皆盡可能的展示該公司之特色展品,目的皆是為了拓展在日本及全球的市場。

日本 Daicel-Evonik 於展場發表太陽能電池背板用聚醯胺(PA12)。其特點是具無毒、耐濕及耐熱等特性。由於太陽能電池背板經常使用氟類樹脂(PVF Film),廢棄後會向環境中釋放氟類化合物,而本產品可減少密封材料的乙酸用量,發生火災時不會放出有毒氣體等。目前全球已陸續使用 PA 來代替氟類樹脂。新型 PA12 的產品名稱為“VESTAMID”。用於製造共壓板有顆粒狀的“BS1231”和薄膜狀的“PF-25”兩種,均具有上述性質。

  
圖十一、可用於太陽能電池背板的 VESTAMID (a) BS1231顆粒及(b) PF-25薄膜

東京應化工業( TOK )本次展出應用在矽晶電池上的化學材料,包含可網印或噴墨製程的蝕刻油墨、光阻材料以及 p型、n型網印型擴散膠,其中較具有特色的為蝕刻油墨,可應用在電極、抗反射層及鈍化層圖形化等製程上。特點在於蝕刻油墨與基板有極好的接著效果並且非常容易去除。p型、n型網印型擴散膠可應用在選擇性射極製程或是交趾狀背接觸太陽電池上,其擴散溫度與氣體擴散差異不大。


圖十二、日本東京應化工業發表抗蝕刻油墨,可抗各種化學蝕刻液

荷蘭 DSM公司展出玻璃抗反射材料。由於目前市場大多使用粒子堆疊抗反射膜,其所增加的透光率為 1.5-2.2%,一旦暴露在大氣環境的雨水或灰塵中,根據統計其抗反射效果將在 4年內消失,因此 DSM提出多孔隙薄膜以取代粒子堆疊薄膜,表層為平滑表面,不會讓雨水或灰塵侵入,而其穿透度更提升 2.8-3.0%。


圖十三、DSM發表高信賴性之玻璃抗反射材料

日本 Nisshinbo 公司與 NEDO 共同發表模組PID的解決方案;在封裝材料( EVA )及電池之間夾一層 COC樹脂(環烯烴共聚物)薄膜,即可大幅改善其 PID現象。目前市場上耐 PID劣化規格較好的為測試溫度 85℃,85%RH及 1000V條件下,通過 500hr 測試。而 Nisshinbo公司發表的 COC樹脂可在相同條件下,通過 2500hr的測試。


圖十四、Nisshinbo發表COC樹脂可改善 PV模組 PID現象

Nippon公司在展場中發表厚度 0.7mm的超耐熱玻璃陶瓷。其玻璃陶瓷具有高耐熱性、優異機械強度以及優良的電性。其中,顏色又包含透明、黑色及白色。透明可耐 750℃、白色耐 850℃,其尺寸可製作 8.5代的 LCD (2300mm x 2600mm)。超耐熱玻璃陶瓷因具有低的熱膨脹係數及可快速加熱和冷卻等特色,可製作成各類型廚房用具、加熱用具、電子設備以及工業材料等多用途產品。


圖十五、超耐熱玻璃陶瓷應用於廚具

Nippon公司另外發表世界上最薄的 35μm超薄玻璃捲筒(G-Leaf),其長 100m/寬 500mm/厚 35μm。目前已應用於 OLED產業,未來將擴大應用於電子紙、觸控面板顯示器及電子廣告牌等。


圖十六、Nippon公司展示世界最薄的玻璃

法隆公司展示太陽能系統基架
另外,在 Eco House & Eco Building EXPO展上,國內專業生產太陽能系統基架的法隆企業有限公司設攤展示該公司擁有專利的太陽能鋁支撐架及五金配件等產品。根據法隆公司沈俊翰總經理表示,該公司的基架經過特殊 DIY設計,安裝簡易方便,可因應各種不同地形地貌,簡單完成施工,不論是一般住宅或工業應用都十分方便。該公司的產品已擁有亮眼安裝實績,以去(2014)年為例,即在日本的長野、福島、枥木、靜岡等地區擁有超過10MW的安裝實績。此外,該公司的產品也在東南亞市場,如馬來西亞佔有一席之地。

法隆公司以Made in Taiwan的品質堅持與中國製產品做出市場區隔,近幾年並積極在世界各地參展,以全球布局為發展策略。在廉價中國製品的夾擊下,企圖以品牌口碑攻占國際市場。


圖十七、法隆公司展示的五金配件


圖十八、法隆公司展示的太陽能系統基架

匯聚新能源相關產品與技術於一堂的 World Smart Energy Week 2015 正在東京 Big Sight 舉行,更多現場觀察與趨勢分析將陸續在材料世界網刊出。掌握最新展會實況,敬請持續鎖定本系列報導。

以上是材料世界網/工業材料雜誌編輯群:賴秋助、呂學隆、孫文檠、蔡麗端、曾寶貞來自東京 World Smart Energy Week 2015 現場的Live 報導。
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